基于热电偶的温度测量电路设计

燕山大学 课 程 设 计 说 明 书 题目： 基于热电偶的温度测量电路  学院（系）： 电气工程学院  年级专业：    学    号：    学生姓名：          指导教师：        教师职称：          燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院                    基层教学单位：              学 号   学生姓名   专业（班级）   设计题目 基于热电偶的温度测量电路设计 设 计 技 术 参 数 设计基于运算放大器的热电偶传感器输出信号调理电路以及冷端补偿电路。 自选一款热电偶，对其在500到1200度测温范围内的输出信号进行放大。输出信号为直流0到2.5V 设 计 要 求 1:完成题目的理论设计模型； 2完成电路的multisim仿真； 工 作 量 1：完成一份设计说明书(其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果）； 2：提交一份电路原理图； 工 作 计 划 周一，查阅资料； 周二到周四，理论设计及计算机仿真； 周五，撰写设计说明书； 参 考 资 料 1：基于运算放大器和模拟集成电路的设计； 2：模拟电子技术； 3：电路理论； 4：数字电子技术； 指导教师签字   基层教学单位主任签字                   说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2011年 6 月 26 日 燕山大学课程设计评审意见表 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日 答辩小组评语： 成绩： 组长： 年 月 日 课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 年 月 日   目    录 第1章  摘要…………………………………………………………………………………2 第2章  引言…………………………………………………………………………………2 第3章  电路结构设计………………………………………………………………………2 3.1  热电偶的工作原理…………………………………………………………………2 3.2  冷端补偿电路设计…………………………………………………………………5 3.3  运算放大器的设计…………………………………………………………………6 第4章  参数设计及运算……………………………………………………………………8 4.1  补偿电路的计算……………………………………………………………………8 4.2  运算放大器的计算  ………………………………………………………………9 4.3  仿真器仿真图示 …………………………………………………………………10 心得体会 ……………………………………………………………………………………12 参考文献 ……………………………………………………………………………………13 第一章  摘要 本文所要设计的是基于运算放大器的具有冷端补偿的热电偶测温。 所要设计包括三部分，热电偶，冷端补偿，运算放大器。热电偶选用的为K型热电偶，补偿采用是桥式补偿电路，运算放大器则用的是运放比例较大而输出阻抗比较小的仪器仪表放大器。 第二章 引言 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，在温度测量中，热点偶的应用极为广泛，它具有结构简单，制作方便，测量范围广，精度高，惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子，管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。    热电偶作为一种温度传感器，热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。 第三章 电路结构设计 3.1热电偶的工作原理 热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直 接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体（称为热电偶丝材或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在 0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热 电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测 量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。 如图1所示 图 1 其中1为热电偶 2为导线 3为测温测压放大电路 我们要求在500到1200度范围内的输出信号进行放大，而K型热电偶比较合适，因此我们选择K型热电偶来进行。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。 K型热电偶的冷端热端在不同温度下产生的电势差如表1所示： 表1 3.2冷端补偿电路 由热电偶的基本作用原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度差所产生的热电势，如此虽然热端所处的温度保持恒定不变，但由于冷端产生不规则的温度改变，则所测得的温度值也就成为一原理知道，一热电偶的测量温度主要决定于热端和冷端温度所产生的热电势，如此虽然热端变数，或不能代表被测处的实际温度。热电偶温度补偿公式①如下： E(t，0)=E(t，t0)+E(t0，0)                                      ① 其中，E(t0，0)是实际测量的电动势，t代表热端温度，t0代表冷端温度，0代表O℃。在现场温度测量中，由于热电偶冷端温度一般不为O℃，而是在一定范围内变化着，因此测得的热电势为E(t，t0)。如果要测得真实的被测温度所对应的热电势E(t，0)，就必须补偿冷端不是0℃所需的补偿电势 E(t0，0)，而且，该补偿电势随冷端温度变化的特性必须与热电偶的热电特性相一致，这样才能获得最佳补偿效果。 我们常用补偿方式为桥式自动补偿电路，这种补偿是在靠近热电偶冷端地方置放构成桥式电路的一臂，此臂是由电阻温度系数较大的金属组成，一般采用镍铜，其余三臂都由电阻温度系数较小的锰铜合金线构成。当冷端温度为零度时，电桥构成平衡状态，若冷端温度产生改变，镍铜的一臂的电阻也随同改变，则使电桥失去平衡或输出电势，因为这输出电势的大小与冷端由于温度的变化所产生的热电势大小相等但方向相反，这样两者抵消，或冷端产生变化但对准确度的影响无关。这种补偿电路如图2所示： 图2 其中R2 R3 R4为不随温度变化的电阻，R1为随温度变化的电阻，R5为调节电源电压的可调电阻。 3.3 运算放大器的设计 热电偶输出的是毫伏级的电压，要求为伏安级，所以采用差分放大器的仪器仪表放大器，它具有很低的输出阻抗，，精确和稳定的增益，一般在1V/V到1000V/V放大倍数，极高的工模抑制比。他的原理图如下图3示： 图3 在图中OA1和OA2构成常称之为输入级或第一级，而OA3构造输出级，依据输入电压约束条件RG上的电压是V1--V2，依据输入电流约束条件，流过电阻R3与流过RG为同一个电流。 由欧姆定律得放大倍数 ② 因为增益取决于外部电阻的比值，所以利用合适的电阻增益可以做得精确。由于OA1与OA2工作在同相结构，它们的闭环输入电阻极高，同样，OA3的闭环输出电阻也很低。最后，通过适当调节第二级电阻中的一个都能使CMRR达到最大。从而这个电路满足条件。 第四章 参数的计算 4.1冷端补偿电路如图4所示： 图4 设 和 分别代表 0时和t时的电阻，又设i为流经 电流，电桥所提供的电压为E。当冷端温度为0度时，电桥呈平衡，则： ③ 当冷端变化t时，由于电桥失去平衡，输出电压电动势，                                             ④ 所以 由于 则得                             ⑤ 令   所以 在设计中，我们采用镍铬 镍铝合金线，补偿电阻采用镍铜，设其在0度时的电阻温度系数为0.00443，冷端温度补偿范围为0-100度，又设通过R2的电流为2毫安，电压供电为1.5伏。我们从K型热电偶的温度表中得知，冷端在0到100度时，所产生的温度差大约为4毫伏左右 所以 则R =745.373 R =R =745.373   R =R =4.627 4.2 运算放大器的计算 电路图如图5所示： 图5 由前面的计算公式： ⑥ 在图中 ⑦ 热电偶500度输出电压为20.6443mv，在1200度得输出电压为28.1939mv mv 放大电压为0-2.5v 所以 令   可得放大倍数为89 4.3 Multisim仿真图 图6 函数发生器图7示： 图7 示波器如图8所示： 图8 在图示中，B通道的幅值为20mv，A通道的幅值约为1.8v 则放大倍数约为90倍 通过最右端时，通道A的值为-1.040v 通道B的值为11.993mv 因此在放大的时候 有一定的误差 心得体会 经过为期一周的测控电路课设，我学到了很多的东西。课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻炼实践能力的的重要环节是对学生实际共组能力的具体训练和考察过程，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多! 更为难得的是这次的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力，通过题目的选择和设计电路的过程中，加强了我思考问题的完整性和实际生活联系起来。 在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，和同学一起去图书馆借阅了大量的相关资料。其次就是又学会了multisim仿真软件，并且加深了对测控电路知识的学习。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。 我认为课程设计是理论联系生活的重要体现。我们上课所学的知识都是纸上谈兵，也只有通过课设来对以后工作做好准备。并且在课设中也学会了与同学互帮互助，这对以后的人际关系也有很好的帮助。 参考文献 1：基于运算放大器和模拟集成电路的设计；赛尔吉欧.弗朗哥，2001 2：模拟电子技术；康华光，1998 3：电路理论；邱关源，1999 4：数字电子技术；闫石，2006